CN103166102A - 低电压驱动电光晶体的激光器 - Google Patents

Abstract

一种低电压驱动电光晶体的激光器，特点在于其构成包括依次的同光轴的第一腔镜、增益介质、偏振片、电光晶体、波片和第二腔镜电光晶体的驱动电源，所述的偏振片与光轴成一定角度，所述的电光晶体的两端与所述的可调的驱动电源相连。本发明的优点是电光晶体所需施加的驱动电压低，大大降低了电光晶体驱动电源的制作难度和成本，提高了激光器的稳定性和可靠性。可以通过改变电光晶体的驱动电压来控制激光器的偏振耦合输出率。

Description

低电压驱动电光晶体的激光器

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种低电压驱动电光晶体的激光器，同时还可以通过改变电光晶体的驱动电压来控制激光器的偏振耦合输出率。

背景技术

电光调Q开关是利用某些晶体的电光效应，实现激光谐振腔内Q值的调节。电光调Q开关具有开关时间短，效率高，调Q时刻可以精确地控制，激光输出脉冲宽度窄，峰值功率高等优点，是目前广泛应用的一种调Q技术。

传统的电光调Q激光器一般使用偏振片、电光晶体组合成Q开关。根据电光调Q的物理原理，一般需要给电光晶体加上半波电压或者四分之一波电压。如图一所示，典型的纵向加压应用晶体的电光调Q激光器，增益介质（1-2）在抽运光抽运后产生自发辐射，经过偏振片（1-3）选择后沿x方向的线偏振光将获得正反馈形成激光振荡。如果在晶体（1-4）上施加λ/4电压，由于纵向电光效应，当沿x方向的线偏振光通过晶体（1-4）后，两分量产生π/2的相位差，从晶体出射后合成为圆偏振光；经全反射镜（1-5）反射回来，再次通过晶体（1-4），又会产生π/2的相位差，往返一次总共产生π相位差，合成后得到沿y方向振动的线偏振光，与原先的偏振方向相互垂直，所以无法通过偏振片（1-3），此时腔内的Q值很低，即Q开关处于关闭状态，激光振荡无法形成。当瞬间撤去晶体（1-4）的电压时，激光器立即处于高Q值状态，腔内积聚的反转粒子数迅速在透反镜（1-1）和全反射镜（1-5）之间建立振荡，并由透反镜（1-1）获得巨脉冲激光输出。如图1所示，使用的晶体λ/4电压典型值为到3600伏，而作为Q开关使用时驱动电源的电压变化一般要求在30纳秒以内。这种快速开关的高电压驱动电源实现成本和难度均比较大，特别是在开关频率也较高时，如达到几十甚至几百千赫兹时，其电路的复杂度非常高。同时高压脉冲容易产生电磁辐射，对周围的电子元器件形成干扰，不利于激光器的应用。并且高压元器件的可靠性和稳定性远远低于同类的低电压元器件，这也是严重影响激光器应用的一个重要因素。采用横向加压的电光晶体，一般可以通过增大电光晶体的纵横比，也就是晶体的电极间距离与晶体长度的比值，来获得较低的电压，最常用的如LiNO₃晶体。但采用增大纵横比降低半波电压的方法也有一些难以克服的缺点：首先，越大尺寸的晶体越难以生长，成本越高；其次，单一的减小电极间的距离，尽管可以获得较低的半波电压，但同时也限制了通光孔径。LiNO₃晶体常用的尺寸为9×9×25mm，其λ/4电压也达到了3200V。此外，LiNO₃晶体的损伤阈值也较低，仅300MW/cm²左右，难以用于大功率激光器。而其他类型的电光晶体，其半波电压远高于相同尺寸的，LiNO₃晶体。

此外，图一所示的激光器耦合输出率由透反镜（1-1）的透过率来决定的，其耦合输出率一般只能是固定值，要改变耦合输出率就必须更换不同透过率的透反镜，无法做到在不更换激光器谐振腔元件的前提下调整耦合输出率。

发明内容

本发明的目的在于克服上述难以克服的缺点，提供一种低电压驱动电光晶体的激光器，特点是利用腔内偏振态的改变直接进行Q值的调制，不需要通过改变晶体的尺寸来降低驱动电压，而且对于一般的电光晶体，包括纵向加压和横向加压都适用。而且，在不更换谐振腔内元件的前提下，还可以通过改变电光晶体的驱动电压来改变激光器的耦合输出率。

本发明的技术解决方案如下：

一种低电压驱动电光晶体激光器，特点在于其构成包括依次的同光轴的第一腔镜、增益介质、偏振片、电光晶体、波片、第二腔镜和电光晶体的驱动电源，所述的第一腔镜、增益介质、偏振片、电光晶体、波片、第二腔镜组成激光谐振腔，所述的偏振片与光轴成一定角度，所述的电光晶体的两端与所述的可调的驱动电源相连。

所述的第一腔镜和第二腔镜为全反射镜、Porro棱镜、或全反射镜与Porro棱镜的组合。

腔内激光依次经过偏振片、施加电压的电光晶体和波片后，由第二腔镜反射再次通过波片和电光晶体，利用加压的电光晶体对激光的偏振态改变，再通过偏振片形成激光的偏振耦合输出

所述激光器中，未给电光晶体加电压时，腔内光子通过偏振片后形成线偏振光，依次经过电光晶体和波片，再由第二腔镜反射通过波片、电光晶体，偏振方向改变90°，再次到达偏振片时，被反射到谐振腔外，无法在腔内振荡形成正反馈，因而腔内无法建立激光振荡。当通过第二腔镜反射回偏振片的激光的偏振态不再是垂直原偏振方向的线偏光时，激光就会部分通过偏振片，形成振荡，同时部分振荡能量通过偏振片耦合输出。所以，只需要给电光晶体加上一个比较低的电压（可低于1000V），形成电光效应，使激光的偏振态发生改变，不再是垂直原偏振方向的线偏光，就可以形成振荡和输出，而不需要按照一般的方法提供半波电压或者四分之一波电压。由于电光效应，不同的电压能够得到不同的偏振态，所以还可以根据电光晶体驱动电压的高低来调节耦合输出率。

本发明的具体优点是：

1.所需电光晶体的驱动电压低，从而降低了电光晶体驱动电源的制作难度和成本，同时提高了驱动电源的稳定性和使用寿命。

2.本发明不需要特别制作电光晶体，增大晶体的尺寸或纵横比来降低驱动电压，适用于所有类型的电光晶体，降低了激光器的内部损耗、制作成本和难度。

3.本发明可以在不更换腔内元件的基础上通过控制电光晶体驱动电路的输出电压来调节激光器的耦合输出率。

附图说明

图1是现有典型的纵向应用晶体的电光调Q激光器原理图

图2是本发明低电压驱动电光晶体的激光器的光路示意图

图3是本发明激光器的耦合输出率随电光晶体驱动电压改变的测试图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图2所示，本发明低电压驱动电光晶体激光器，其构成包括依次的同光轴的第一腔镜2-1、增益介质2-2、偏振片2-3、电光晶体2-4、波片2-5、第二腔镜2-6和电光晶体的驱动电源2-7，所述的第一腔镜2-1、增益介质2-2、偏振片2-3、电光晶体2-4、波片2-5、第二腔镜2-6组成激光谐振腔，所述的偏振片2-3与光轴成一定角度，所述的电光晶体2-4的两端与所述的可调的驱动电源2-7相连。

激光经过偏振片2-3，通过电光晶体2-4和波片2-5后，由第二腔镜2-6反射再次通过波片2-5和电光晶体2-4，通过电光晶体2-4来控制腔内激光的偏振态，利用低电压下的电光晶体2-4形成退偏，再通过偏振片2-3耦合输出。

如图2所示，当未给电光晶体加电压时，激光经过偏振片2-3后形成与入射面平行方向振动的线偏振光，经过电光晶体2-4和波片2-5，再通过第二腔镜2-6反射，再次通过波片2-5和电光晶体2-4。通过旋转波片2-5使得由第二腔镜2-6反射后的激光到达偏振片2-3前振动方向与原来经过偏振片后的振动方向相互垂直，此时激光由偏振片2-3完全反射出去，无法在谐振腔内形成振荡，激光器没有输出。

本激光器中，激光的振荡与输出都是通过改变激光的偏振态来实现。根据电光晶体的性质，给电光晶体加上一定的电压，电光晶体的折射率椭球发生改变，通过电光晶体的激光的偏振态随之变化。根据上文所述，激光形成振荡就需要偏振片2-3无法完全反射，需要一部分通过，形成振荡。此时给电光晶体2-4加上一定的电压，由第二腔镜2-6反射后的激光到达偏振片2-3前的偏振态发生改变，不再是线偏振光，所以部分通过偏振片2-3，形成振荡，部分由偏振片2-3反射，形成输出。此时给电光晶体的驱动电压无需限制在一般应用上的半波电压或者四分之一波电压，只需要达到能够建立激光振荡所需的阈值电压即可。

本激光器是利用偏振耦合输出，通过电光晶体2-4来控制腔内激光的偏振态。当电光晶体驱动电路2-7的输出电压改变时，通过电光晶体后激光的偏振态发生改变，偏振片2-3的反射率随之变化，从而改变了激光器的偏振耦合输出率。

图3是实验中测得的电光晶体驱动电压与耦合输出率的曲线图，实验中所使用的电光晶体为，可以明显看出，改变电光晶体驱动电路的输出电压，激光器的耦合输出率随之发生变化。高耦合输出率时，所需要的驱动电压比一般情况下低的多，例如耦合输出率为70%时，驱动电压为1284V。本领域的技术人员应当理解，还可以使用其他材料的电光晶体，同时选择更高的耦合输出率，电光晶体所需要的驱动电压也就越低。

Claims (2)

1.一种低电压驱动电光晶体的激光器，特征在于其构成包括依次的同光轴的第一腔镜（2-1）、增益介质（2-2）、偏振片（2-3）、电光晶体（2-4）、波片（2-5）、第二腔镜（2-6）和电光晶体的驱动电源（2-7），所述的第一腔镜（2-1）、增益介质（2-2）、偏振片（2-3）、电光晶体（2-4）、波片（2-5）、第二腔镜（2-6）组成激光谐振腔，所述的偏振片（2-3）与光轴成一定角度，所述的电光晶体（2-4）的两端与所述的可调的驱动电源相连。

2.如权利要求1所述的低电压驱动电光晶体的激光器，其特征在于，所述的第一腔镜（2-1）和第二腔镜（2-6）为全反射镜、Porro棱镜、或全反射镜与Porro棱镜的组合。

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